Кожухотрубный теплообменник
Изобретение относится к энергетической, машиностроительной, химической, пищевой, отраслям промышленности и может быть использовано для нагрева или охлаждения различных жидкостей. Цель изобретения - интенсификация теплообмена. В кожухотрубном теплообменнике, содержащем полый кожух 1, размещен пакет 2 труб. Каждая труба 6 пакета имеет средства турбулизации потока, образованные дистанционными элементами шайбообразной формы 10 жестко установленными перпендикулярно оси пакета труб в поперечных кольцевых канавках 8, выполненных на внешней поверхности каждой трубы. С обоих концов каждая труба выполнена в виде многогранных поверхностей параллельных оси трубы, причем диаметр вписанной окружности многогранной поверхности равен диаметру дистанционного элемента 10. При примыкании друг к другу многогранные поверхности концов труб образуют трубные доски 3. Кожухотрубный теплообменник содержит также патрубки 4 и 5 для подвода и отвода горячего и холодного теплоносителей. Интенсификация теплообмена происходит за счет обтекания теплообменных поверхностей внутри труб 9 и в межтрубном проходном сечении 12.
Изобретение относится к разработке и проектированию теплообменных аппаратов и может быть использовано в промышленной теплоэнергетике, химической, пищевой и других областях промышленности.
Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий полый цилиндрический кожух, размещенный в кожухе пакет труб и плоские дистанционные пластины между соседними рядами труб (Патент РФ 
2151991, МКИ F28D 3/02, заявл. 22.11.1996, опубл. 27.06.2000). В этом теплообменнике достигается высокая жесткость и устойчивость пакета труб, однако эффективность теплообмена остается на низком уровне.
Наиболее близким по технической сущности является кожухотрубный теплообменник, содержащий полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, при примыкании которых друг к другу образуются трубные доски, и средства турбулизации потока в межтрубном пространстве (Патент РФ 2157494, МКИ F28D 3/04, заявл. 20.05.1998, опубл. 10.10.2000). Введенные средства турбулизации потока в виде труб со спиральными многозаходными поверхностями теплообмена позволяют повысить коэффициент теплопередачи, но отсутствие элементов жесткости пакета труб ограничивает область использования таких теплообменников.
Целью изобретения является одновременное решение задач обеспечения высокой эффективности теплообмена и обеспечения жесткости и устойчивости пакета труб при упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления теплообменника.
Сущность изобретения заключается в том, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, при примыкании которых друг к другу образуются трубные доски, и средства турбулизации потока в межтрубном пространстве, указанные средства турбулизации потока в межтрубном пространстве образованы дистанционными элементами шайбообразной формы, которые жестко установлены на всех трубах по крайней мере в каждой из двух и более плоскостей, перпендикулярных продольной оси пакета труб, и контактируют между собой по внешней круговой поверхности, а многогранные поверхности концов труб выполнены в форме правильного шестиугольника, причем диаметр вписанной в этот шестиугольник окружности равен диаметру внешней круговой поверхности дистанционных элементов.
Предпочтительным вариантом является выполнение дистанционных элементов в виде круговых колец, а труб - с поперечными кольцевыми канавками, в которых размещены круговые кольца.
Также предпочтительно, что трубные доски по внешнему контуру могут быть выполнены в форме многогранника, например, шестиугольника, геометрически вписанного в контур внутренней поверхности кожуха, а теплообменник в целом может быть снабжен дополнительным герметичным кожухом, стягивающим пакет труб и выполненным в поперечном сечении по форме многогранника внешнего контура трубных досок.
В предложенной полезной модели решение поставленных задач достигается за счет того, что дистанционные элементы, которые контактируют между собой в заданных поперечных плоскостях и задают устойчивое взаиморасположение труб в пакете, одновременно играют роль турбулизатора, создавая гидравлическое сопротивление для потока в межтрубном пространстве.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 представлена общая схема кожухотрубного теплообменника, на фиг.2 - единичная труба с концевой частью, на фиг.3 - вид на торец концевой части трубы, на фиг.4 - вид с торца на трубные доски, образованные концевыми частями труб, на фиг.5 - взаимное расположение единичных труб в пакете, задаваемое дистанционными элементами в поперечном сечении.
Кожухотрубный теплообменник содержит (Фиг.1) полый цилиндрический кожух 1, внутри которого размещен пакет 2 труб, концевые части которых образуют с противоположных торцев пакета трубные доски 3. Кожух теплообменника снабжен торцевыми патрубками 4 для первого теплоносителя, и боковыми патрубками 5 для второго теплоносителя. Единичная труба 6 (Фиг.2) выполнена с обоих концов в виде многогранных поверхностей 7, параллельных оси трубы и имеющих в поперечном сечении форму правильного шестиугольника (Фиг.3). На внешней поверхности каждой единичной трубы 6 выполнены поперечные кольцевые канавки 8, образующие при использовании технологического метода накатки соответствующие выступы 9 на внутренней поверхности труб. В поперечных канавках 8 устанавливаются дистанционные элементы 10 шайбообразной формы, которые могут быть выполнены в виде круговых колец (плоских шайб). Трубные доски 3 пакета 2 труб 6 по внешнему контуру имеют форму многогранника (Фиг.4), геометрически вписанного в окружность внутренней поверхности цилиндрического кожуха 1. Указанный многогранник может иметь в поперечном сечении форму шестиугольника. При этом такое же сечение имеет и пакет 2 труб 6 на всей длине. По форме этого сечения выполняется дополнительный герметичный кожух 11, охватывающий и стягивающий пакет труб. В таком состоянии единичные трубы 6 жестко контактируют между собой по поверхностям концевых частей в образованных трубных досках 3 и по круговым поверхностям дистанционных элементов 10, образуя межтрубное проходное сечение 12 (Фиг.5). Жесткость гарантирована равенством диаметра вписанной во внешний контур шестиугольного сечения концевых частей труб 6 и диаметра внешней круговой поверхности дистанционных элементов 10.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
В торцевые патрубки 4 поступает первый теплоноситель, проходящий по трубам пакета 2, а в боковые патрубки 5 - второй теплоноситель, проходящий в межтрубном сечении вдоль пакета труб. Проходя по трубам, имеющим выступы 9 на внутренней поверхности, первый теплоноситель подвергается интенсивному турбулентному перемешиванию. Второй теплоноситель, проходящий в межтрубном сечении, образованном трубами и круговыми поверхностями дистанционных элементов, также подвергается турбулентному перемешиванию при обтекании дистанционных элементов. Коэффициент теплопередачи увеличивается за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи первого и второго теплоносителей. Скорость течения первого и второго теплоносителей может быть увеличена, так как в пакете труб, стянутом дополнительным герметичным кожухом по круговым поверхностям дистанционных элементов, отсутствуют автоколебания труб. Это также увеличивает коэффициент теплопередачи.
При реализации противоточной схемы движения теплоносителей оба теплоносителя выходят из кожухотрубного теплообменника через торцевой и боковой патрубки, соответственно, с противоположных концов.
В предложенном решении дистанционные элементы шайбообразной формы, размещенные в поперечных кольцевых канавках, и кольцевые канавки труб турбулизируют потоки в межтрубном пространстве и внутри труб за счет срыва потока с выступов дистанционных элементов и кольцевых канавок, а также за счет постоянного изменения давления теплоносителей при уменьшении живого сечения трубы выступами кольцевых канавок и уменьшении межтрубного проходного сечения круговыми поверхностями дистанционных элементов.
Каждая труба в пакете труб контактирует по внешней круговой поверхности дистанционного элемента с шестью соседними дистанционными элементами и дополнительным герметичным кожухом для внешних труб пакета. Дополнительный герметичный кожух, стягивающий пакет труб, опирается вершинами шестиугольника на контур, который является, как правило, окружностью, внутренней поверхности кожуха. Таким образом, создается жесткое закрепление пакета труб внутри цилиндрического кожуха и достигается отсутствие автоколебаний и провисания труб для теплообменников с любой длиной труб.
Единичные трубы, выполненные с обоих концов в виде шестигранных поверхностей, легко собираются в пакет, образующий на концах трубные доски в виде шестиугольников, которые соединяются с помощью пайки или сварки концов труб. Кроме того, такая конструкция трубных досок позволяет в два раза уменьшить потери давления в пакете труб по сравнению с обычными трубными системами.
Дополнительный герметичный кожух, имеющий в поперечном сечении форму шестигранника, вписанного во внутреннюю поверхность кожуха, кроме функции стягивания пакета труб, ограничивает теплоноситель в межтрубном проходном сечении, обеспечивает параллельное течение теплоносителей, увеличивает турбулентное перемешивание теплоносителя при обтекании дистанционных элементов.
1. Кожухотрубный теплообменник, содержащий полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, при примыкании которых друг к другу образуются трубные доски, и средства турбулизации потока в межтрубном пространстве, отличающийся тем, что средства турбулизации потока в межтрубном пространстве образованы дистанционными элементами шайбообразной формы, которые жестко установлены на всех трубах по крайней мере в каждой из двух и более плоскостей, перпендикулярных продольной оси пакета труб, и контактируют между собой по внешней круговой поверхности, а многогранные поверхности концов труб выполнены в форме правильного шестиугольника, причем диаметр вписанной в этот шестиугольник окружности равен диаметру внешней круговой поверхности дистанционных элементов.
2. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что дистанционные элементы выполнены в виде круговых колец, а трубы выполнены с поперечными кольцевыми канавками, в которых размещены круговые кольца.
3. Кожухотрубный теплообменник по п.2, отличающийся тем, что трубные доски по внешнему контуру выполнены в форме многогранника, например, шестиугольника, геометрически вписанного в контур внутренней поверхности кожуха.
4. Кожухотрубный теплообменник по п.3, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным герметичным кожухом, стягивающим пакет труб и выполненным в поперечном сечении по форме многогранника внешнего контура трубных досок.
